Tam-ölçümlü, çapraz-limitli kontrol

Bu kontrol tekniği genel uygulamada yaygın olarak kullanılır ve kazan sistemlerinde neredeyse standartlaşmış durumdadır. Tam ölçümlü kontrolde yakıt hava karışım oranının daha hassas ayarlanabilmesi amacıyla hem yakıt debisi hem de hava debisi ölçülerek kontrol yapısına dahil edilir. Bu yapı sayesinde:

 Yakıt ve hava debisindeki dalgalanmalar kompanze edilir.  Emniyet koşulları göz önünde bulundurularak tehlikeli durumlar

önlenir.

Tam-ölçümlü kontrol sisteminde yakıt-hava dengesinin kontrolünde buhar basıncı, yakıt debisi ve hava debisi olmak üzere üç değer ölçülerek kontrol yapısına girer. Tam-ölçümlü kontrol optimum yanma oranının elde edilmesinde yakıt ve hava debilerinin birbirinden bağımsız olarak ayarlanabilmesini sağlar. Bu tür bir kontrol sistemi kazan verimliliğini artırmaktadır.

Çapraz-limitli kontrol ise tam-ölçümlü kontrol sistemine yanma prosesinde dikkat edilmesi gereken güvenlik şartlarının entegre edilmiş halidir. Herhangi bir mekanik arıza durumunda (örn: yakıt kontrol vanası sıkışması, hava damperi kilitlenmesi vs.) yüksek oranda yakıt barındıran bir yanma karışımı meydana gelebilir. Çapraz-limitli kontrol yapısı hava debisinin yakıt debisine göre düşük kalmasını ve yakıt debisinin hava debisinden yüksek (yüzdesel olarak) olmasını önler [6].

Tam-ölçümlü, çapraz-limitli kontrol üç proses değişkeni ölçümüne ihtiyaç duyan bir kaskad kontrol yöntemidir. Bu değişkenlerden buhar basıncı ana kontrol bloğu için, yakıt debisi ve hava debisi de ikincil kontrol blokları içindir.

Buhar basıncı bir basınç ölçüm cihazı ile ölçülür. Yakıt debisi ölçümü ise yakıtın tipine göre farklılık gösterir. Gaz yakıtların (örn: doğalgaz) debisi genellikle fark basıncı mantığına göre çalışan debimetrelerle ölçülür. Ölçüm fark basıncına göre yapıldığından hacimsel debi değerinin elde edilebilmesi için okunan fark basıncı değeri karekök alma işlemine tabi tutulur. (Hacimsel debi, ölçülen fark basıncının karekökü ile orantılıdır) Sıvı yakıtların (örn: fuel oil) debi ölçümü ise coriolis tipi debimetrelerle ölçülür ve bu tip debimetreler kütlesel debi ölçtüğü için okunan değer sıcaklık yada basınçtan etkilenmez.

Tam-ölçümlü, çapraz limitli kontrol tipi buhar kazanları için standart kontrol tekniğidir. Şekil 3.4’te gösterilen SAMA diyagramı bu kontrol yönteminin detaylarını göstermektedir.

Şekil 3.4 : Tam-ölçümlü, çapraz-limitli kontrol diyagramı.

Diyagramdan da görülebileceği gibi tam ölçümlü kontrol, kazan yük kontrolünün birincil kontrol bloğu, yakıt ve hava debi kontrollerinin ikincil kontrol bloğu olduğu bir kaskad kontrol yapısıdır.

3.2.3.1 Kazan yük kontrol bloğu

Kazan yük kontrol bloğu istenen buhar talebini karşılamak ve set edilen buhar basıncını oluşturmak için kontrol sinyalini oluşturur. Bu kontrol bloğu geri-beslemeli bir PID kontrol bloğudur. Proses değeri olarak dom buhar basıncını alır ve set değeri operatör tarafından manuel olarak girilir. PID kontrol bloğunda hesaplama sonucu oluşturulan kontrol sinyali kazan yük talebi olup “firing rate demand (FRD)” olarak adlandırılır ve diyagramda bu şekilde gösterilmektedir. FRD sinyali yakıt debi kontrol ve hava debi kontrol blokları için kaskad set değeri olmaktadır.

Fiziksel olarak FRD sinyali talep edilen anlık güç (MW) miktarını temsil eder. Tek yakıtlı uygulamalarda genellikle FRD sinyali kazanın tam yüküne göre yada yakıt debisine göre yüzdesel (0-100%) olarak tanımlanır.

3.2.3.2 Yakıt debisi kontrol bloğu

Yakıt debi kontrol bloğu yük kontrol bloğunun oluşturduğu FRD sinyalini set değeri olarak alır. Yakıt besleme basıncındaki dalgalanmalar yakıt debisinin etkilenmesine neden olur ve yakıt debi kontrol bloğu bu dalgalanmaları kompanze ederek debinin istenen değer civarında kalmasını sağlar. Kontrol bloğu, proses değeri olarak yakıt debisi ölçümünü alır ve bu değer PID bloğuna girerken %FRD olarak tanımlanır. Fiziksel anlamda, %FRD anlık kütlesel yakıt debisinin maksimum yakıt debisine oranıdır.

Kütlesel debi ölçümü yapan enstrümanlar genellikle doğrusal bir debi çıkış değeri verirler. Fakat gazların debisi fark basıncıyla ölçüldüğünden, yakıt debisinin doğrusallaştırılması için cihazdan okunan değer karakök alma işlemine tabi tutulur. 3.2.3.3 Yakma havası debisi kontrol bloğu

Yakma havası debi kontrol bloğu, kazan yük kontrol bloğundan elde edilen FRD set değeri için gereken yeterli hava miktarını kontrol eder. Kazan iç basıncındaki dalgalanmalar yakma hava debisinini etkilenmesine neden olur ve hava debi kontrol bloğu bu dalgalanmaları kompanze ederek hava debisinin yakma için yeterli düzeyde olmasını sağlar. Kontrol bloğu, proses değeri olarak hava debisi ölçümünü alır ve bu değer PID bloğuna girerken %FRD olarak tanımlanır.

SAMA diyagramında görülen fonksiyon bloğu hava debi ölçümünü alır ve %FRD oranına çevirir. Fiziksel olarak, %FRD değeri anlık kütlesel hava debisinin maksimum yakıt debisine oranıdır. Hava debi kontrol bloğunda %FRD değeri kütlesel yakıt debisi için gereken hava miktarını temsil eder. Devreye alma sırasında, kazan farklı yük değerlerinde çalıştırılarak optimum yanma için gereken yakıt ve hava miktarları kayıt edilir. Optimum yanmanın tespit edilebilmesi için yanma sonucu oluşan atık gazların miktarı gözlemlenir.

Karakterizasyon fonksiyon bloğu optimum yakıt-hava oranını tanımlar. Mevsimsel değişiklikler havadaki nemi ve hava yoğunluğunu etkiler ve bu durum da birim miktardaki yakıtın yanması için gereken hava miktarını etkilemektedir. Hava debi

ölçümü hacimsel olarak yapıldığından tanımlanan yakıt-hava oranlarının düzenlenmesi gerekir. SAMA diyagramında bu düzenleme manuel olarak yapılmıştır (Air/Fuel Ratio Trim). Daha ileri bir çalışma tekniği ile, yakıt-hava oranının optimum şekilde ayarlanması atık gaz içerisindeki O2 miktarı kontrol edilerek

otomatik olarak yapılabilmektedir. Bu konu daha ileriki bölümlerde incelenecektir. Yakıt debi kontrol bloğu ve yakma havası debi kontrol bloğu geri-beslemeli PID kontrol bloğudur. Kazan yük kontrol bloğundan elde edilen %FRD değeri kaskad set değeri olarak alınır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta hem set değeri hem de proses değeri aynı mühendislik birimleri cinsinden ifade edilmiştir. Kontrol işareti 0- 100% olarak yakıt ve hava debi kontrol valfine gönderilir.

3.2.3.4 Çapraz-limitli kontrol

Çapraz limitli kontrol, yakma operasyonu esnasında istenen yük miktarına göre yakıt debisinin gerekli hava debisinden yüksek olmamasını garanti eder. Yakıt debisi de hava debisi de %FRD cinsinden tanımlandığı için karşılaştırma işlemi basite indirgenmiştir. Yakıt debisi kontrol bloğunda, kazan yük kontrolünden gelen FRD set değeri o anki anlık %FRD cinsinden hava debisi ile karşılaştırılır ve bir “minimum-seçim” fonksiyon bloğu ile küçük olan değer seçilir. Bu işlem yakıt talebinin o anki mevcut hava miktarına uygun değerden fazla olmasını önler.

Yakma havası debi kontrol bloğunda kazan yük kontrolünden gelen FRD set değeri o anki anlık %FRD cinsinden yakıt debisi ile karşılaştırılır ve bir “maksimum-seçim” fonksiyon bloğu ile büyük olan değer seçilir. Bu işlem hava talebinin o anki mevcut yakıt miktarına uygun değerden az olmasının önüne geçer. Emniyet amacıyla kazanda her zaman minimum düzeyde hava akışı olması gerekmektedir. Bunun için seçim fonksiyon bloğuna bu değer manuel olarak girilir.

Çapraz-limitli kontrol tekniği sayesinde kazan yükü için set değeri artırıldığında hava debisi yakıt debisine klavuzluk görevi yapar ve yakıt debisi artmadan önce hava debisi artar. Hava debisinin artmaya başlamasıyla birlikte artış oranına bağlı olarak (hava debisini geçmemek şartıyla) yakıt debisi de artmaya başlayacaktır. Çünkü yakıt debi kontrol bloğunun set değerindeki minimum-seçim fonksiyonu yakıttan önce hava debisinin artmasını gerektirir. Benzer şekilde, kazan yükü için set değeri azaltıldığında yakıt debisi hava debisinden önce azalacaktır. Yakıt debisinin

düşmemek şartıyla) hava debisi de azalmaya başlayacaktır. Çünkü hava debi kontrol bloğunun set değerindeki maksimum-seçim fonksiyonu havadan önce yakıt debisinin azalmasını sağlar.

Çapraz-limitli kontrol sayesinde her durumda, yakma için gereken hava miktarının yakıt miktarının gerektirdiği orandan az olması durumunun önüne geçilmiş olur ve böylece emniyetli ve verimli bir yanma prosesi gerçekleştirilir [6].